随着全球变暖和化石燃料气体排放的日益严重,人们越来越需要减少二氧化碳排放和节约能源消耗。在地球化石能源有限的情况下,如何有效地管理能源是当前的重要课题之一。与此同时,伴随着家庭用电需求的不断增大,家庭能量管理系统(home energy management system,HEMS)等相关节能减排技术越来越引起大家的重视。本文针对HEMS中能量的优化调度问题展开研究,通过优化调度在保证用户满意度的基础上实现节约电费、减少二氧化碳排放的目标。本文在现有的家庭能量管理系统的基础上增加储能模块组成新的HEMS,并在此基础上提出了一种基于0-1线性整数规划方法的家电最优调度模型。通过此调度模型,用户可以根据各自需求分别实现用电费用最省、用电费用最省同时兼顾满意度或者二氧化碳排放最少的目标。该调度模型无论是在目标函数还是在约束条件上都采用线性化表示的方法,在使用极短的运算时间的同时能够保证调度结果是最优结果。最后通过仿真实验验证了该调度模型的有效性,以及验证了该调度模型能够很好的应对电力公司的削峰填谷要求,具有重要的实际应用价值。实验结果表明,提出的调度模型能够比以往相关研究取得更好地节约费用、保证用户满意度与减少二氧化碳排放的效果。在基于0-1线性整数规划方法的家电最优调度模型的基础上考虑到光伏发电预测有误差的情况,本文又提出了一种光伏发电预测误差下的家电优化调度算法。该算法采用0-1线性整数规划方法中的用电费用最省调度模型作为基础调度模型,同时结合滚动优化的方法完成对家电与储能设备的工作任务调度。最后通过仿真实验验证了提出算法的有效性,并以用电费用最省为例验证了该算法能够很好的解决光伏发电预测误差的问题,同时能够达到节约费用的目的。本文的调度模型与算法,充分考虑了家电的各种类型,而且将正在推广普及的太阳能发电系统和分布式储能设备与允许网上出售剩余电力统一考虑,并且考虑分时电价以及电力公司的需求响应限制等因素,具有重要的实际意义。
进入21世纪以来,全球能源和环境问题愈加严重,引起了人们越来越多的关注。而家庭作为能量消耗的一个重要领域,很多研究人员都在努力尝试寻求各种方法,加强对家庭能量的管理。通过推广使用可再生新能源,提高家庭能量的使用效率,减少家庭能量的消耗和温室气体的排放,从而在一定程度上缓解能量和环境问题。本文重点关注家庭中能量使用的优化和对家用电器的调度问题。本文提出了应用于家庭能量管理系统HEMS(Home Energy Management System,HEMS)的静态调度和动态调度的两种算法。这两种调度算法的目的都是希望通过调度家用电器在电力价格较低的时间段运行,以避开电力使用高峰时段,减少电力事故和家庭中的能量消耗。另外,本文中的调度方法的目的还在于尽量少地牺牲用户的满意度,同时尽量多的节省家庭用电费用。首先,本文提出了一种考虑预测误差的家庭能量优化静态调度算法fHEM(forecast-error Home Energy Management,fHEM)。该方法基于数学规划,建立了一种适用于HEMS的求解模型。它提前一天对次日每个时间段的家用电器,按照用户对家用电器工作的需求,合理地分配它们的运行时间段。此外,该算法还提出了一个对PV发电系统的发电量预测误差的计算方法。利用该方法可以节省家庭能量,减少家庭用户的用电费用,同时该算法可以在较短的时间内求解出家用电器的最优运行时间。其次,本文还提出了一种费用敏感型家庭能量优化动态调度算法eHEDM(expense-aware Home Energy Dynamic Management,eHEDM),该算法能够将家庭中每个时间段的家用电器所消耗的总功率严格限制在需求响应之内。一旦接收到用户发出的需要打开某个家用电器的请求时,eHEDM调度算法可以实时的响应该请求并进行及时处理,合理地调度运行或者关闭相关的家用电器。此外,为了不过多的损失家庭用户的用电满意度,该算法根据用户指定的每个电器的允许延时时间来调度家用电器的延时启动运行。如果遇到需要关闭某些电器以满足当前的电力需求响应限制的情况时,该算法会首先检查当前正在运行的家用电器是否已经满足了电器舒适度,如果满足则将其关闭。如果关闭后还是不能够满足电力需求响应限制,调度系统将根据用户设定的家用电器的优先级,从优先级最低的电器开始,依次关闭,直到可以打开需要运行的电器为止。如果调度系统没有接收到任何来自家庭用户的紧急用电请求,那么该调度系统将会按照用户指定的每个家用电器需要完成的运行时间来调度它们的工作。本文中提出的上述两种调度方法,考虑了家庭用户的实际用电需求,通过满足家用电器自身的电气特性,以及电力公司的电力需求响应限制,在不过多的牺牲用户用电满意度的条件下,减少家庭用户的电力花费。其中静态算法适用于家庭负荷稳定的情况,动态算法适用于负荷变动的情况。实验结果证明了上述方法的有效性。
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